Квантовые вычисления
Квантовые вычисления — это подход к получению информации, использующий квантово-механические эффекты. Они основаны на кубитах — квантовых единицах информации, которые могут существовать в суперпозиции состояний. Чтобы эффективно выполнять квантовые вычисления, инженеры и физики должны уметь эффективно измерять состояние кубитов.
Измерение состояния кубитов в квантовых компьютерах
В квантовых компьютерах на основе сверхпроводящих материалов состояние кубитов косвенно измеряется с помощью так называемого выходного резонатора — схемы, которая по-разному реагирует в зависимости от состояния кубита. Ответы этой схемы исследуются с помощью слабой электромагнитной волны, которую необходимо усилить для обнаружения.
Ограничения существующих усилителей
Для усиления этих сигналов, также известных как микроволновые тоны, инженеры квантовых технологий используют устройства, называемые усилителями. Существующие усилители имеют заметные ограничения: обычные усилители могут посылать нежелательный шум обратно на кубит, нарушая его состояние.
Сверхпроводящие параметрические усилители, появившиеся недавно, могут быть очень эффективными, но они обычно полагаются на громоздкие и магнитные аппаратные компоненты, которые контролируют направление сигнала и защищают кубиты от шума обратного действия.
Новое устройство
Исследователи из Национального института стандартов и технологий и Университета Колорадо недавно разработали новое устройство, которое может действовать как усилитель и преобразователь одновременно. Оно усиливает электромагнитные сигналы, перенаправляя нежелательные обратные сигналы и предотвращая их взаимодействие с кубитами.
Новое устройство, представленное в статье, опубликованной в Nature Electronics, может значительно упростить измерение кубитов, способствуя масштабированию квантовых компьютеров на основе сверхпроводников.
«Эта статья посвящена объединению в одном двухпортовом устройстве (один вход, один выход) способности усиливать сигнал, распространяющийся от входа к выходу, и подавлять тот же сигнал, распространяющийся от выхода ко входу», — сказал Максим Мальну, первый автор статьи, в интервью Phys.org. «Такая функция имеет решающее значение в таких системах, как сверхпроводящие квантовые компьютеры, где вы хотите усилить сигнал, излучаемый кубитами, и в то же время защитить эти кубиты от любого обратного действия, поступающего из цепи считывания».
Метод усиления
Метод усиления, используемый Мальну и его коллегами, хорошо известен в сообществе квантовых вычислений, в то время как метод, который они использовали для изоляции, был представлен несколько лет назад. Основной задачей для авторов было продемонстрировать, что они могут надёжно реализовать оба метода с помощью одного устройства.
«Мы используем параметрические процессы для управления усилением и изоляцией внутри устройства», — объяснил Мальну. «Параметрический процесс — это особенность системы, при которой один компонент в системе может быть модулирован для добавления или преобразования энергии внутри системы».
Новое электронное устройство, разработанное исследователями, включает в себя искусственную линию передачи, структуру схемы, состоящую из дискретных индукторов и конденсаторов. Используя джозефсоновские переходы вместо обычных индукторов, команда обеспечила нелинейность линии, что в конечном итоге позволило как усиление, так и преобразование частоты.
«Примечательно, что параметрические процессы могут быть направленными», — сказал Мальну. «Модулируя переходы с помощью сильных направленных микроволновых накачек, сигналы, движущиеся вперёд, усиливаются, а сигналы, движущиеся назад, преобразуются в другую частоту, предотвращая их достижение чувствительных кубитов».
Мальну и его коллеги в итоге смогли реализовать как усиление сигналов, так и их изоляцию посредством преобразования частоты — всё в одном устройстве. Это заметное достижение, которое также выявило некоторые проблемы, с которыми можно столкнуться при объединении этих двух процессов.
«В сверхпроводящих квантовых компьютерах изоляция кубитов от обратного действия цепи считывания имеет решающее значение», — сказал Мальну. «Обычно это достигается с помощью пассивных магнитных компонентов. Эти компоненты не только несовместимы с кубитами (которые очень чувствительны к любому магнитному полю), но и громоздки. Тем не менее они должны быть размещены как можно ближе к кубитам для оптимальной производительности. Это инженерная задача на практике, требующая много места при милликельвиновских температурах (где находятся кубиты)».
В будущем усилитель и преобразователь, разработанные Мальну и его коллегами, могут заменить ранее представленные громоздкие и магнитные микроволновые циркуляторы и изоляторы. В принципе, новое устройство также совместимо со сверхпроводящими кубитами и может быть интегрировано на чипе вместе с этими кубитами.